我們ASML全景光刻鐵三角中最后的一角電子束量測(cè)與檢測(cè)在光刻小講堂中正式開(kāi)講，上一期跟大家一起了解了電子束量測(cè)與檢測(cè)在芯片產(chǎn)線上作為質(zhì)檢員眼睛的角色，如何助力ASML全景光刻解決方案。

這次讓我們來(lái)進(jìn)一步打開(kāi)大門(mén)探索一下電子束檢測(cè)中的“透視眼”：電壓襯度檢測(cè)。來(lái)看看電子束是如何透過(guò)表面看本質(zhì)，洞悉復(fù)雜電路的“通”和“斷”，從而確保芯片內(nèi)億萬(wàn)晶體管的工作有序，助力客戶良率提升的。

1、電子互聯(lián) --電子世界的立交橋

在介紹電壓襯度檢測(cè)之前，先帶大家簡(jiǎn)單了解下芯片內(nèi)部微電路以及電路需要關(guān)注的失效是如何發(fā)生的：

整個(gè)芯片制造過(guò)程主要分為前段器件制造工藝和后段金屬互連工藝。前段工藝負(fù)責(zé)制造芯片中的各類基礎(chǔ)器件，如晶體管，存儲(chǔ)單元等。

半導(dǎo)體器件示意圖

圖片來(lái)源: K. Ahmed and K. Schuegraf, “Transistor wars: Rival architectures face off in a bid to keep Moore’s Law alive”, IEEE Spectrum, Nov. p.50, 2011

這些器件本身功能簡(jiǎn)單，只能負(fù)責(zé)基本的運(yùn)算和存儲(chǔ)功能。而我們常見(jiàn)的功能強(qiáng)大的芯片都需要通過(guò)精細(xì)的設(shè)計(jì)，通過(guò)后端的金屬互連工藝把成百上千甚至億萬(wàn)的基礎(chǔ)器件相互連接，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算，將操作指令準(zhǔn)確地傳達(dá)到指定器件并獲得反饋。

切開(kāi)芯片看如下圖，內(nèi)部的互連就如密密麻麻的立交橋聯(lián)通著各個(gè)站點(diǎn)。

1.1 正常電路--傳遞信號(hào)

所以為實(shí)現(xiàn)功能完好的芯片，互連的金屬必須通暢。猶如各個(gè)立交橋，如果某個(gè)路段發(fā)生了損壞（比如坍塌或者不該有的交匯），就會(huì)影響立交橋的通行效率。如果損壞過(guò)多或者發(fā)生的問(wèn)題在關(guān)鍵路段，甚至?xí)?dǎo)致交通的徹底癱瘓。

下面是幾個(gè)非常常見(jiàn)的例子，圖①是正常有序的情況，指令1和2都可以通過(guò)各自的金屬互連途徑下達(dá)到各自的目標(biāo)器件。

圖① ：1控制A，2控制B

1.2 電路發(fā)生斷路 -無(wú)法傳遞信號(hào)

讓我們來(lái)看看圖②，路線1上金屬互連斷了，猶如把路修斷了，則“總部”與器件A失聯(lián)，所有與器件A相關(guān)的工作無(wú)法開(kāi)展，這種是芯片中發(fā)生斷路失效。

圖② ：1對(duì)A失控暨發(fā)生斷路，2控制B

1.3 電路發(fā)生短路--傳遞錯(cuò)誤信號(hào)

那圖③呢，小伙伴們可以先自行思考一下，圖3中兩條路線的金屬互連碰撞到了一起，會(huì)發(fā)生什么呢？

想象一下，原本互相隔離的兩個(gè)車(chē)道，各自行進(jìn)，運(yùn)行良好，但是在某一處被匯到一起，這個(gè)路段上的車(chē)就會(huì)發(fā)生混亂，要么擁堵，更有可能發(fā)生車(chē)禍，出發(fā)的車(chē)輛很難達(dá)到目的地。在半導(dǎo)體中器件A和B也一樣，執(zhí)行指令就會(huì)異常，這種即是芯片內(nèi)發(fā)生短路失效。

圖③ ：1對(duì)B錯(cuò)誤控制，2對(duì)A錯(cuò)誤控制，即短路

在電子世界這些立交橋需要一雙眼睛來(lái)精細(xì)把關(guān)，杜絕“豆腐渣”工程，電子束電壓襯度檢測(cè)是目前唯一的可以檢測(cè)出金屬互連是否達(dá)標(biāo)的技術(shù)手段。

2. 電壓襯度檢測(cè)---電子世界獨(dú)一無(wú)二的透視眼

那么為什么電壓襯度檢測(cè)會(huì)成為“透視眼”，如X光檢測(cè)一樣，透過(guò)電路表面，觀測(cè)到立交橋上下連通的異常，且是目前唯一的檢測(cè)手段呢？

大家可以類比造房子，每一層的地板通過(guò)樓梯實(shí)現(xiàn)層與層之間的互連，當(dāng)我們僅站在某一層看其地板是否有缺陷的時(shí)候，是看不到下面的樓梯制造的結(jié)不結(jié)實(shí)，是否所有的樓梯都造好了等情況的。

就如下圖，從俯視圖觀察，看不出標(biāo)準(zhǔn)的電路互連跟有斷路時(shí)有什么區(qū)別，待測(cè)俯視圖案只能看到表面的圖形，無(wú)法反映三維結(jié)構(gòu)里的連通性信息。這時(shí)，就輪到電壓襯度檢測(cè)登場(chǎng)了。

電壓襯度檢測(cè)（voltage contrast）是如何探測(cè)到這樣的缺陷的呢？其實(shí)是透過(guò)表面去反應(yīng)下面結(jié)構(gòu)的情況——它的名字就很清晰地表示了檢測(cè)的原理：電壓襯度，就是由于電壓（voltage）的不同，使得表面圖像產(chǎn)生了明顯的明暗變化（contrast）。

進(jìn)一步來(lái)講，如下圖所示，電子束檢測(cè)可以使得器件的表面產(chǎn)生一定的電壓。以表面產(chǎn)生正電壓為例，基礎(chǔ)物理知識(shí)告訴我們，當(dāng)連接良好的金屬互連兩端有電壓差就會(huì)形成電流（電子往正電壓的方向流動(dòng)），就像房子的兩層，樓梯上的人通過(guò)樓梯從下往上走。如果金屬互連是斷的即使有電壓也不會(huì)形成電流，就像樓梯斷了，到了斷的地方人就無(wú)法繼續(xù)走了。

總體而言就是連接良好的地方表面正電壓會(huì)源源不斷地吸引電子達(dá)到表面從而中和表面的正電壓，連接斷掉的地方幾乎沒(méi)有電子上來(lái)中和，就會(huì)一直保持正電壓的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候這兩個(gè)地方就會(huì)產(chǎn)生電壓的差異。

那這個(gè)電壓差異如何變成可以甄別的表面圖像明顯的明暗變化呢？大家應(yīng)該都知道電子被正電壓吸引，被負(fù)電壓排斥。如下圖所示，這兩塊地方因?yàn)?strong>金屬互連的差異產(chǎn)生了不同的電壓，對(duì)電子的束縛吸引能力是有差異的，我們在檢測(cè)的時(shí)候從這兩塊地方得到的電子信號(hào)就會(huì)不同，因此產(chǎn)生了明暗的差異，就可以甄別出有異常的缺陷。

這就是電壓襯度的故事，作為一個(gè)很獨(dú)特的檢測(cè)方式，被廣泛地應(yīng)用，兢兢業(yè)業(yè)地在產(chǎn)線上發(fā)揮著自己的作用，在ASML全景光刻的鐵三角中穩(wěn)定地提供著自己獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

很感謝大家這一期的陪伴，跟我們一起了解電壓襯度檢測(cè)的小世界，它和電子束物理缺陷檢測(cè)以及電子束量測(cè)一起形成了對(duì)芯片三位一體的守護(hù)，在生產(chǎn)過(guò)程中保駕護(hù)航。